大电流开关柜热管散热实验研究

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1、大电流幵关柜热管散热实验研究薛继鹏唐景春合肥工业大学汽车与交通工程学院作为重要输电设备的大电流开关柜，其关键部件静触头安装于树脂塑料触头盒内，空气对流空间狭小，散热效果较差，容易引发开关触头的过热、剧烈氧化和烧融等故障现象，给供电系统的安全性和可靠性带来隐患。为了强化开关枳静触尖的散热，控制其温升达到国家相关行业标准的要求，文章以KYN44A-12大电流开关柜为研宄对象，设计了3种形式的热管散热装置，安装于触头盒内以强化静触头的散热能力;利用光纤温度在线监测系统，对安装有热管的开关柜静触头温升进行了实

2、验研宄。实验结果表明，热管蒸发段的结构形式对开关柜静触头的散热有着重要的影响，采用蒸发段呈“L”形结构的热管换热器，散热效果明显，使开关柜母线室及电缆室内静触头的温升得到了有效控制。关键词：热工学;开关柜;热管散热;实验测试;由于开关枳具有多种发热元器件，丑枳内气流不畅，内部空气流动速度大约在0.2~0.3m/S数量级LQ，散热条件较差1红。作为开关柜核心部件的静触头，由于安装在触头盒内，空气对流空间狭小，常常会发生过热、剧烈氧化和烧融等故障。尤其是在炎热的夏季位1，居民生活用电峰值和工业用电峰值相互

3、叠加，触头温度可达上百摄氏度，超出国家行业标准中温升不能超过65K的要求£11,给电网安全运行带来丫隐患m，不得不降低容量来保证关键零部件温升不超过国标温升上限，造成电网的维护成本增加。针对大电流开关柜散热问题的研宂，主耍集中于触头及母线温度在线监测和强化散热能力2个方面，关于温度在线监测的文献比较多，而关于强化散热能力的文献却较少。文献［6］通过在静触头表面开散热孔，形成对流，达到降低温度的目的;文献［7］用有缝隙的金属棒代替普通的金属导体，增加导体与空气的接触面强化局部散热;文献［8］在开关柜静触

4、头的外侧加贴铝合金散热片，增加导体散热面积，解决静触头散热不佳的情况;文献［9］采用在开关柜后面板上加装隔离式翅片热交换器，进行强化散热和温度在线监测的研宄;文献［10］探讨了用一个外层是无氧铜管，内层是不锈钢管的水-重力热管在高压真空断路器中替代导电铜棒的可行性，在实现传热强化的同时实现了电阻的进一步减小。过高的触头温度会造成母线接触退化［11］以及电器设备的“温度8°C效应”U1。热管是一种高效的导热部件，安全可靠，具有较好的适应性和自复位性。本文以KYN44A-12开关柜为研究对象，设计3种蒸发

5、段结构形式的热管散热装置，实验研究热管散热对大电流开关柜静触头温度控制的影响，以利于其在开关柜改造升级中的应用。1大电流开关柜热管设计KYN44A-12开关柜的基本构造如图1所示。试验测得KYN44A-12/T4000-40单个静触头的发热功率为175W，以毛细极限作为热管散热能力计算式［12］，即其中，Q<:.为毛细极限;A,为吸液芯横截面积;K为吸液芯渗透率;r,为吸液芯毛细半径;1。为热管蒸发段长度为工质品质因素；p，、O:、L、h分别为工作温度下液态工质的密度、液体表面张力、蒸发潜热、液体动力

6、黏度。通过对热管的毛细泵力、工质的品质因素、吸液芯渗透率、吸液芯横截面积、携带极限、声速极限、沸腾极限等性能参数进行计算，根据KYN44A-12开关枳的内部结构，设计了3种形式的热管换热器。3种热管换热器的具体结构如图2所示。图1开关枢内部结构卜载原图1.继电器室2.断路器3.断路器手车室4.前下室5.鼓风机6.电缆室7.后下门8.电流互感器9.下桩铜排10.触头盒11.后上门12.静触头13.引风机114.上桩铜排15.母线室16.引风机217.引风机3阁2热管换热器下载原阁热管换热器I用于开关柜母

7、线室静触头散热，为保证绝缘距离同时达到散热要求，釆用了波浪形状开窗的不锈钢散热翅片，热管釆用4根外径8、壁厚0.5mm的铜-水-铜粉末烧结管芯结构，热管安装块为厚度20mm的柱状紫铜，外径与铜排宽度相同，热管插入安装块的4个梯形通孔后采用高温锡焊固定。热管换热器II和热管换热器III的散热对象为开关柜的电缆室静触头，散热翅片类型和材质、热管基本尺寸、管芯类型、换热工质以及热管固定块均与热管换热器I相同，区别之处在于热管换热器II和III的安装空间充足，釆用的是平直翅片。热管换热器II的蒸发段弯折呈“L

8、”形，采用这种结构形式主要是因为电缆室每相冋路均安装有电流互感器，“L”形的热管换热器n安装时会与电流互感器发生干涉，使用热管换热器II就必须先更换母线，调整互感器的安装位置，故热管换热器II主要用于开关柜新产品开发和升级;而热管换热器III是针对目前还在使用的存量开关柜量身设计的，现有开关柜安装热管换热器111过程中不需要更换母线，换热器与互感器不发生位置干涉，但热管蒸发段弯折了4次，流动损失较大，换热效率下降，因此，换热器m主要用于还在使用的存量开关